опять же считать, что в магнитном поле движется один проводник.
На графике Р-57.2 время, как обычно, отложено по горизонтальной оси (ось х), но отмеряется в новых для нас условных единицах времени — в градусах. Можно было, конечно, выбрать миллисекунды или микросекунды, но более удобны и к тому же приняты во всем мире градусы. Рамка совершает полный оборот за время в 360°, в моменты 90° и 270° наведённая в ней э.д.с. достигает максимума, то есть своей амплитуды, в это время проводник с максимальной скоростью пересекает магнитное поле. Наконец, график рассказывает, что дважды за каждый оборот проводник движется не поперек поля, а вдоль и затем (пересекая условную горизонтальную линию) меняет направление, в котором он пересекал поле. В эти моменты — они соответствуют точкам (то есть моментам времени) 180° и 360° — э.д.с. равна нулю, и в эти же моменты происходит смена её полярности.
ВК-148.Начнём с конца: стальной сердечник трансформатора перестаёт быть короткозамкнутым витком потому, что он изготовлен не из сплошного металла. Он собран из тонких стальных пластин, между которыми проложен слой изоляции. Ток первичной обмотки своим меняющимся магнитным полем, конечно, наводит ток в сердечнике, но в каждой пластине отдельно. При этом токи в соседних пластинах действуют друг против друга, практически ликвидируя короткозамкнутый стальной виток.
Р-56. ВОЗВРАЩЕНИЕ К СТАРОЙ ОШИБКЕ ПРИНОСИТ В ИТОГЕ ОГРОМНЫЙ ВЫИГРЫШ. У нас есть все основания порадоваться — в генератор был успешно превращён двигатель с системой токосъёма из двух полуколец для переключения проводов рамки. Теперь можно попробовать провести ещё более рискованный эксперимент — в генератор превратить двигатель, который вообще не мог работать, потому что в его системе питания вместе со скользящими контактами использовались целые кольца (Р-51). Правило правой руки показывает, что в этом случае токи (или э.д.с.,) наведённые в проводах а и б, пересекающих внешнее магнитное поле, всегда будут суммироваться. Но при этом одну половину оборота эти провода будут давать э.д.с. одного направления, другую половину оборота — противоположного. Одним словом, с забракованным в своё время кольцевым токосъёмом мы получили генератор, который создаёт, как её называют, переменную э.д.с., а в нагрузке, подключенной к рамке, переменный ток. Учитывая огромные его достоинства и то, что 97 % мировой электрической мощности производится в виде переменного тока, знакомству с ним мы будем уделять основное внимание. На этом же рисунке показан принцип построения простейшей векторной диаграммы из числа тех, которыми мы будем пользоваться в рассказах о переменном токе.
Т-220. Под действием переменной э.д.с. в цепи идёт переменный ток, а на всех её участках действуют переменные напряжения. Подключив нагрузку к нашему экспериментальному генератору переменной э.д.с., отметим: всё, что происходит в электрической цепи, подчиняется закону Ома. Поэтому когда увеличивается или уменьшается электродвижущая сила Е, то увеличивается или уменьшается ток, а если меняется полярность электродвижущей силы Е, то меняется направление тока. И также в полном соответствии с законом Ома (но уже для участка цепи, Т-71) переменный ток, проходя по какому-нибудь резистору, создаёт на нём переменное напряжение, а электродвижущая сила делится между участками последовательной цепи, создав на каждом из них определённое напряжение, или, иначе, падение напряжения (Р-31).
Переменный ток и переменные напряжения по пятам следуют за всеми изменениями э.д.с., и можно так подобрать масштаб, что график переменного тока и график переменного напряжения будут точной копией графика переменной электродвижущей силы Е. Очень часто кривую тока и кривую э.д.с., или напряжения, располагают на одном графике, сделав для этого две разметки вертикальной оси, — одну разметку в вольтах для э.д.с. и напряжения, другую разметку в амперах для тока. Рассматривая такой двойной график, нужно помнить, что это всего лишь экономия бумаги, и ничего больше. Нельзя, например, сравнивать высоту кривых э.д.с. и тока — они рассказывают о разных характеристиках процесса и отображаются в разных единицах измерения, каждая кривая начерчена в своём масштабе, и общая у них только ось времени.
Т-121. Переменный ток может работать так же хорошо, как постоянный. От того, что ток переменный, что заряды двигаются «то туда, то обратно», работоспособность этих зарядов во многих случаях ничуть не уменьшается. Они так же, как при однонаправленном, одностороннем движении, сталкиваются с атомами вещества, нагревают его, заставляют вещество светиться. И магнитное поле переменный ток создаёт не менее успешно, чем постоянный, только направление этого магнитного поля непрерывно меняется — как только сменится направление тока в катушке, так тут же поменяются местами северный и южный магнитные полюсы электромагнита. В некоторых случаях эту неприятность научились обходить, а во многих случаях смена магнитных полюсов вообще не имеет значения.
Вот пример. Электромагнит притягивает стальную деталь потому, что он своим полем намагничивает её, а затем тянет к себе, как он тянул бы к себе любой другой магнит. Если же в обмотке электромагнита протекает переменный ток, то вслед за изменением магнитного поля самого электромагнита мгновенно меняются местами магнитные полюсы стальной детали, и её притягивание не прекращается.
В тех же случаях, когда постоянный ток нельзя заменить переменным, можно использовать выпрямитель, который без особого труда переменное напряжение превратит в постоянное (Р-99), вполне заменяющее гальванический элемент или аккумулятор.
ВК-149.Индуктивное сопротивление катушки XL называют реактивным потому, что оно активной мощности не потребляет. Сколько возьмёт катушка для своего магнитного поля, столько же и отдаёт. Но так не получается в реальной жизни, где ток катушки IL проходит по активному сопротивлению Rвнт, куда входит внутреннее сопротивление генератора и ряд других сопротивлений большой сети. В этом сопротивлении Rвнт реактивный ток IL теряет часть своей мощности, и эти потери приходится учитывать.
Р-57. В ПОРЯДКЕ ПЕРВОГО ЗНАКОМСТВА ЗАМЕНЯЕМ СЕКУНДЫ НА ГРАДУСЫ. О переменном токе или напряжении очень хорошо рассказывает их график. Но если сделать один такой полный график для какой-нибудь лампочки, которая включена уже несколько часов, то он наверняка растянется на несколько километров. Пользоваться таким графиком было бы не очень удобно. Кроме того, наш большой график переменного тока обычно всё время повторяется и рассказывает о событиях, очень похожих. Поэтому переменный ток принято отображать очень коротким графиком, на котором показан один полный цикл изменения тока (напряжения, э.д.с.), именуемый периодом. На таком коротком графике время принято отсчитывать не в привычных секундах, а в условных единицах времени — в градусах, каждый из них составляет 1/360 часть периода. Так что если такой типичный однопериодный график переменного тока начинается в нулевой точке 0° (момент времени 0 градусов) и ток нарастает, то в момент 90° он достигнет своей наибольшей величины — амплитуды. Затем, уменьшаясь, ток в момент 180° вновь станет равным нулю (как и в момент 0°) и начнёт нарастать, но уже сменив направление. Этот, как его называют, отрицательный ток отмеряют вниз от горизонтальной оси — от оси времени. Достигнув отрицательной амплитуды в момент 270°, ток завершит период своих изменений, уменьшившись до нуля в момент 360°. Время в градусах, соответствующее тому или иному значению тока (напряжения, э.д.с.) принято называть его фазой. Этот краткий комментарий, как и сам график, относится к наиболее распространённому синусоидальному току, который нам в дальнейшем предстоит часто вспоминать.
Т-122. Приятно всё же встречать технические термины в виде слов родного языка: частота говорит о том, насколько часто повторяется полный цикл переменного тока. Единица частоты — герц, Гц. О постоянном токе нам достаточно было знать одно — какова интенсивность движения зарядов, то есть то, что отражено в характеристике «величина тока», «сила тока». Переменный ток — явление значительно более сложное, чтобы судить о событиях в электрических цепях переменного тока, нужна более обширная информация. В частности, нужно знать, насколько быстро меняется ток, насколько часто происходит смена его направлений.
Об этом в равной мере хорошо говорят две характеристики. Первая — период Г, он указывает время, в течение которого переменный ток (э.д.с., напряжение), изменяясь, проходит весь свой цикл, все свои возможные значения (Р-58).
Вторая характеристика — частота f (или F), она говорит о том, сколько периодов, то есть сколько полных циклов изменения тока (э.д.с., напряжения), успевает произойти за единицу времени. Единица частоты — герц, сокращённо Гц, ей дано имя великого физика Генриха Герца (1857–1894), открывшего, в частности, электромагнитные волны, на основе которых вскоре появились радио, телевидение, локация. Единица частоты 1 герц соответствует одному полному периоду в секунду. Если, например, частота составляет 2 Гц, то период длился 0,5 с, и, следовательно, за время 1 с переменный ток (э.д.с., напряжение) пройдёт 2 полных своих периода. Если же, например, время полного изменения переменного тока, то есть период Т составляет 0,1 с, то за секунду будет 10 полных периодов, и частота составит 10 герц, 10 Гц). Ясно, что чем медленнее происходят изменения тока, чем дольше длится период, тем меньше (принято говорить «ниже») частота. И наоборот, с увеличением частоты период становится всё более коротким.
Т-123. «Мгновенное значение» и «амплитуда» сообщают о работоспособности переменного тока в какой-то определённый момент